Гидродинамическая теория кризисов механизма кипения на поверхности нагрева была разработана С.С.Кутателадзе и хорошо объясняет наиболее существенные стороны про цесса.
Вывод расчетной зависимости для определения первой критической плотности теплового потока 9чср^ произво дится следующим образом. Рассматривается условие устой чивости двухфазного слоя над бесконечной горизонталь ной поверхностью. Поверхность имеет пористую структуру,
обеспечивающую поток газа через стенку |
(рис. |
8 .16). |
|
|
( р а з н ы й |
|
|
» |
СЛОг |
t |
/ |
|
•Ав-# в- - л |
_J Q 30ub/<s |
i |
|
|
|
7 |
t I 1 f I I I I I I |
|
|
|
Л о т о к г о з а |
|
|
Рис. 8.16. |
К гидродинамической |
теории кризиса |
|
теплообмена |
|
|
|
В двухфазном слое происходит взаимодействие кинетичес
кой энергии вдуваемого газа, гравитационных |
и поверхно |
стных сил. Кинетическая энергия газа .У3 |
за |
трачивается на работу оттеснения жидкости от поверхно
сти |
нагрева. Работа оттеснения равна |
og (J° '-J0"), где |
$ |
- минимальная толщина паровой |
пленки. Порядок ее |
определяется отрывным диаметром пузыря
Тогда
8-36)
Кризис возникает при определенном постоянном соотно
шении динамического |
напора |
газа |
и работы оттеснения, |
т .е . когда |
|
3 |
|
|
|
|
|
У & к р |
,, |
|
|
|
v |
^ |
r ) |
' |
' |
!; - 37) |
где к |
- некоторая |
постоянная, |
величина |
ь&кр |
имеет |
смысл критической скорости |
барботажа, |
т .е . крити |
ческого объемного расхода газа с единицы поверхности.
При кипении |
ия"Q |
является объемным расходом пара, |
отнесенным |
к единице |
поверхности |
нагрева, |
и равна ско |
рости парообразования: |
|
|
|
|
|
|
|
Z f |
|
|
(8.38) |
|
|
|
|
|
|
|
Используя(8.38) |
и извлекая квадратный корень из (8 .37), |
получим |
|
|
|
|
|
|
|
Г |
|
|
|
i f f |
U , |
|
|
\ |
|
|
' |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Тогда из |
(8.39) |
для |
9*р/ |
получается аналитическое |
решение с |
точностью до постоянной |
величины |
к i |
|
|
|
|
|
|
|
(8.40) |
Зависимость (8.40) впервые была получена С.С.Кутателадзе на основе приведенного выше гидродинамического ана лиза и справедлива для любой жидкости, кроме жидких металлов. Аналогичная формула может быть выведена на основании теории подобия. Б этом случае уравнения теп лопроводности и теплообмена не используются, поскольку
кризис объясняется |
гидродинамической неустойчивостью |
двухфазного граничного слоя. |
Предложенная формула хорошо описывает эксперимен |
тальные данные по |
для воды при кi = 0,ik. |
Величина |
существенно зависит от физических |
свойств среды, которые меняются в зависимости от |
дав |
ления. Зависимость |
9-кр{ |
01 |
Давления |
при кипении |
воды приведена на |
графике |
(рис. |
8 .17). |
Как видно |
из |
Рис. 8.17 . Зависимость ?kpj от давления при кипении воды в большом объеме в
условиях свободной конвекции
область давлений |
60 |
- 100 |
кгс/см^, т .е . |
при |
(0,3 |
4 |
0 ,4 ) |
р кр , где |
р кр = |
225 |
кгс/см2. В |
области |
ваку |
ума величина |
|
стремится к нулю из-за малого зна |
чения |
плотности |
пара |
( J 0"— * 0 ). В области |
околокрити- |
ческого давления |
|
—- |
0, |
г —- 0, |
|
|
и^ также стремится к нулю.
Физическая природа второго кризиса кипения при пе реходе пленочного кипения к пузырьковому аналогична первому и описывается теми же уравнениями. Поэтому формула для второй критической плотности теплового по тока $Кр имеет тот ке вид, но постоянная ks
имеет |
другое |
значение и примерно в |
4-5 раз меньше |
. |
Для условий свободной конвекции жидкости мезду |
ве |
личинами |
существует |
постоянное соотно- |
шение |
% |
Чкрз |
|
|
|
|
|
|
^ 4^ - = ccnst = 0,17- г 0,22.
Укр{
Такое соотношение объясняется тем, что скорость парооб разования, необходимая для подпитки и поддержания паровоЬ пленки, меньше скорости, необходимой первоначально для создания парового слоя. Поэтому при уменьиенжж тепло вой нагрузки паровой слой более устойчив и кризис воз
никает при значениях |
£ |
меньших , |
чем |
. |
В случае недогрева жидкости до температуры насыщения |
на величину AiH - ts - |
|
нроцесс парообразования в |
пристенном слое идет менее интенсивно |
(при прочих рав |
ных условиях). На место |
|
оторвавшихся |
от |
поверхности |
паровых пузырей поступают холодные массы жидкости, вы зывающие конденсацию пара. На ликвидацию недогрева ре циркулирующей жидкости требуется затратить определен ное количество тепла, следовательно, на создание сплош ной паровой пленки требуется затратить больше энергии, и поэтому с увеличением недогрева критическая тепловая нагрузка возрастает.
С.С.Кутателадзе предложил опытные данные для кипе ния с недогревом в большем объеме обрабатывать в виде зависимости
|
(VxplUt" |
|
(8.41) |
|
|
J> ")\ |
|
(^kp^atfO |
г |
|
|
|
где функция |
- поправка, учитывающая недогрев. |
Комплекс Ср |
учитывает тепло, |
затрачиваемое на |
